揭开了生活的火花

T他的夏天，美国宇航局的坚持斗道将在火星上的Jezero火山口的边缘开始。特派团的目标是更多地了解更多关于我们邻近的地球，并收集有一天返回地球的核心样本。希望如此，通过研究古老的碳酸盐岩石，这些岩石在火山口北部边缘线，我们可能会收集生命的迹象。我们在那里找到的任何东西，甚至更加青春期过去的僵化残余，可能会为自己的星球上的初始火花提供无价的线索。

火星很大，每次耗资巨大的任务只能覆盖这么多的地面，所以有必要制定一些指导原则来缩小搜索范围。即使我们假设地球上的生命和火星上的生命是独立产生的，我们也可以从地球上最古老的生命形式中寻找线索，了解在这颗红色星球上寻找什么。到目前为止，最受欢迎的方法是关注所有已知生命形式的共同行为:从环境中获取能量的能力。从对不同代谢系统的研究中发现，细胞完成这一壮举的无数策略都可以归结为一种共享策略。一句话:电。

电通常被认为是人类的一项技术:一个精心制作的电路网络编织在整个文明，旨在满足我们的需求。但是，想想雷暴划过天空时发出的一道闪电，一块慢慢生锈的黄铁矿晶体，一块燃烧的油田——人类并没有发明电，无论我们多么想这样想。它先于我们，以及生命本身，就像一个无生命的物理过程。这也是生物体如何获取生命动力——能量的核心。

能量是对做功能力的衡量，而细胞，我们所知道的生命的基本单位，有很多工作要做。它们构建蛋白质，自我复制，并在无处不在的引力作用下移动。在我们所熟悉的生物圈中，生物体依靠太阳提供资金——要么直接通过光合作用，要么通过消耗太阳的有机产品。这两种过程基本上都是电的。深海生物圈的新陈代谢也是如此，这是我们脚下的一个平行世界¹在黑暗中茁壮成长。千米下来，科学家们发现细菌通过进食和呼吸简单的Geofuels-A线索来电，而且，对于在像火星这样的行星上寻找生命的地方。

当你在宇宙的规模上工作时，很难统治任何东西。

火星的表面几乎被认为无法对生物体考虑。但是，在表面下方，在有液态水的情况下，通过缓慢冷却核心的残余地热活动和辐射温暖，科学家怀疑他们可能会发现与我们深层生物圈相似的条件。如果地球上的细胞可以在这种情况下充电，可能是火星上的细胞。

在地球表面，许多生物体通过将电荷从葡萄糖转移到氧气来发电。在地下，它们可以利用氢气和二氧化碳。但在这两种情况下产生电的操作是相同的——两种相容化合物之间的电荷平衡。毕竟，电只不过是由静态电荷或动态电荷产生的能量。但究竟什么是电荷，生命又是如何利用电来工作的呢?

“正电荷”和“负电荷”反映了与电有关的原子的可观测的物理性质，就像“热”和“冷”表示分子的温度一样。想象两个热源，一个是“热的”或“负的”，另一个是“冷的”或“正的”。当它们分开时，就不能做功了。但当它们相互接触时，它们之间的桥梁产生的运动就能被利用来做功。电路的负极和正极也是如此。两个端子之间电荷的差异被称为电压，它们之间的电流可以被有效地利用。在地球上，更古老的深层生物圈细菌利用低压电路，而更复杂的地表生物则依赖更高的电压。因此，在探测火星上的生命时，我们应该期望在远离火星表面的地方找到更简单、进化更少、电压更低的微生物。

即使是这样一种从渗透到火星地壳的地质气体中获取电力的初级微生物，也很可能拥有一个保守的代谢回路——因为所有已知的地球生物都使用相同的机制来提供能量。所有被研究过的细胞都是通过一种被称为电子传递链(ETC)的生物线来弥补吃到的和呼吸到的东西之间的电荷差异。ETC的普遍性表明，它是地球上生命进化的早期创新，也是解决当前问题的最佳方案。假设火星上生命的起源与我们的相似，我们可以期待找到ETC的某些版本，任何不同都将讲述两种进化路径的故事。

如果系统基本上类似，无论是在核酸还是氨基酸的基础上，它可能表明，Martian Life是陆地起源，在重型轰炸期间被带到红星，增加了一系列的小行星影响被认为发生了大约38亿年前。但是还有另一个替代方案，这是所有活细胞中心的机制，因为它是它可能发生的唯一方法。

一个尽管这看起来像是进化决定论，但无论细胞出现在什么样的环境中，它们都被限制在特定的进化路径上的观点是有分量的。当然，地球上新陈代谢的核心电荷转移反应，更广泛地被称为还原/氧化(氧化还原)反应，已知即使在没有生物的情况下也能产生电流。以亚历山德罗·沃尔塔在18世纪发明的原电池为例。他发明的核心氧化还原反应对无处不在的现代电池仍然至关重要。自他的发现以来，生物学家们发现类似的氧化还原反应是新陈代谢的中心。除了来自金属的电荷之外，大自然提供了各种各样的可以食用和呼吸的物质。

在几千米深的海底，细菌通过吃简单的地燃料来给自己充电。

各种化合物，从氢气到硫酸盐 - 可以用作代谢回路的端子。尽管具有这种灵活性，但在众多生命形式中，ETC中的结构和功能相似性的深度表明系统进化期间只有几种自由度。Annette Rowe是辛辛那提大学的电磁生物学实验室负责人，在那里她研究了生物体为其代谢电路供电的经常异常方式。她的一些研究专注于能够呼吸电极呼吸电流的细菌。²在接受电话采访时，罗指出，虽然两种生物的代谢系统可能“具有看起来非常相似的蛋白质结构，但从进化的角度来看，它们中的大多数都是独一无二的。”这意味着，在整个细胞中分配电收获的问题，同样的解决方案在历史上一再出现。这个解的名字是什么?三磷酸腺苷。

三磷酸腺苷，简称三磷酸腺苷，是一种不可思议的，似乎是普遍存在的生物。生活就是工作这条规则没有例外，所有已知的细胞都使用电化学梯度来做功这条规则也没有例外。但大多数内部细胞过程并不直接接触电。相反，它们将电力输送到一个移动媒介——atp——与我们偏爱无线技术的原因大致相同。拖着一根绳子到处走是令人望而却步的限制。细胞内部的过程，如主动运输、聚合和运动，远远不是代谢机制。细胞使用可扩散的ATP来提供必要的刺激，而不是依靠缠结在一起的导线。“正如我们所知，ATP是生命的基本货币，”罗说。就像人类的货币可以普遍地在社会上交换服务一样，ATP也可以很容易地在细胞内交换工作。

ATP是一种高能量的弹簧分子，比其他任何物质都更需要破裂。蛋白质利用这种爆炸能力进行机械加工。ATP，就像电子传递链一样，似乎已经进化了很多次。这种进化趋同的强大性质表明，我们会在外星生命中找到ATP或类似的中介。

生活细胞正在演变，因为这是它可能发生的唯一方法。

剩下的问题是，我们在地球上观察到的模式——电子传递链及其在atp产生中的作用——是所有生命的基础，还是仅仅是我们所知的生命。寻找在地球上实时进化的替代系统是困难的，因为原始细胞，^3.最简单的微生物的前身，将会被生长最慢的竞争者超越，这是38亿年的进化所支持的。也许在我们的深层生物圈中有大量的生命先驱，但掠食行为阻止了它们的发展。探索火星上低能量深处的潜在生物活动较慢，可能会发现古老的结构，填补我们对这两个星球上最早生命形式的理解空白。

探索火星地表以下以揭示生命的出现并不是什么新想法。20世纪的博学家托马斯·戈尔德(Thomas Gold)在深海生物圈被发现前差不多10年就预言了它的存在，他认为“深海、化学补给的生命……可能在宇宙中非常普遍。”⁴最近的车型，实际上建议他们在银河系中存在约60亿个地球的行星，⁵这暗示了被认为支持地球上早期生命的低电压化学可能在宇宙中广泛存在。戈尔德的原理很容易适用于我们太阳系内的几个天体的次地表区域，包括火星。

戈德提出的另一个诱人的建议是，我们对生命的定义可能会受到我们的经历的限制。他认为，在已知的深层生物圈之下，“通常会有一个很大的区域，对于我们所知道的细菌生命来说，这个区域太热了，但它仍然能够支持其他可以调节这些能量反应的系统化学处理系统。”换句话说，可能还有其他的模式可以扩展我们对生命本身的理解。

其他科学家也有同样的想法。虽然我们知道生命是由电驱动的，但可以想象，任何能量梯度都可能引发火花。罗谨慎地推测，“我们所能想象的生命碰巧使用氧化还原反应，所以人们在寻找其他行星上的生命时也在寻找[它们]。”但是可能还有其他办法功率热中子或磁processes-ones似乎不可行的一开始就对生活,但谁知道呢?当你在研究宇宙的尺度时，很难排除任何可能性。”

不过，似乎大多数研究人员都把赌注押在了我们家乡更熟悉的东西上。在接受电话采访时，昆士兰科技大学(Queensland University of Technology)的研究人员戴维·弗兰纳里(David Flannery)表示，“我们现在知道，深层生物圈是广泛的。因此，如果火星过去曾有生命存在，那么我们有理由假设火星上也有类似的生物圈。”在地球上，生物很有可能是从深海向外进化的。它将带领我们，或我们的一个漫游者，深入火星地壳，揭示第二棵生命之树的潜在根源。

Michael Shilo延迟完成了他在哥伦比亚大学的研究生工作，调查纳米局限性水的机制。anastasia bendebury从同一所大学的细菌多线性中培养了ph.d。作者一起运行神秘的科学．你可以在推特上遵循它们@demystifysci.．

参考

1.深碳天文台：十年的发现。Deepcarbon.net（2019）。

2.电微生物学:现实、重大挑战、目标和预测。微生物生物技术9, 595 - 600(2016)。

3.张志刚，张志刚，等。生物起源中混合两亲体对原始细胞自组装的促进作用。自然生态与进化3.，1705-1714（2019年）。

4.金，T.深，热的生物圈。美国国家科学院院刊89, 6045 - 6049(1992)。

5. Kunimoto，M.＆Matthews，J.M.搜索整个开普勒数据。II。FGK星的发生率估计。天文学杂志159248(2020)。

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